agua y carbono
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LA QUÍMICA CELULARLA QUÍMICA CELULAR
LAS MOLÉCULAS DE LOS LAS MOLÉCULAS DE LOS SERES VIVOSSERES VIVOS
EL AGUAEL AGUA
El aguaEl agua
Es la más abundante de Es la más abundante de las moléculas que las moléculas que conforman los seres conforman los seres vivos.vivos. Constituye entre el 50 Constituye entre el 50
y el 95% del peso de y el 95% del peso de cualquier sistema cualquier sistema vivo.vivo.
La vida comenzó en el La vida comenzó en el agua, y en la actualidad, agua, y en la actualidad, dondequiera que haya dondequiera que haya agua líquida, hay vida.agua líquida, hay vida.
El aguaEl agua
Cubre las tres cuartas Cubre las tres cuartas partes de la superficie de partes de la superficie de la Tierra.la Tierra.Pero, el agua no es en Pero, el agua no es en absoluto un líquido absoluto un líquido ordinario, es en realidad, ordinario, es en realidad, bastante extraordinaria.bastante extraordinaria.Si no lo fuera, es Si no lo fuera, es improbable que alguna improbable que alguna vez pudiese haber vez pudiese haber evolucionado la vida evolucionado la vida sobre la Tierra.sobre la Tierra.
La estructura del aguaLa estructura del aguaCada molécula de agua está constituida por dos átomos Cada molécula de agua está constituida por dos átomos de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O).de hidrógeno (H) y un átomo de oxígeno (O).Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un Cada uno de los átomos de hidrógeno está unido a un átomo de oxígeno por un enlace covalente.átomo de oxígeno por un enlace covalente.
El único electrón de cada átomo de hidrógeno es compartido El único electrón de cada átomo de hidrógeno es compartido con el átomo de oxígeno, que también contribuye con un con el átomo de oxígeno, que también contribuye con un electrón a cada enlace.electrón a cada enlace.
La estructura del aguaLa estructura del agua
La molécula de agua, en La molécula de agua, en conjunto, posee carga neutra y conjunto, posee carga neutra y tiene igual número de tiene igual número de electrones y protones.electrones y protones.
Sin embargo, es una molécula Sin embargo, es una molécula polar.polar.
El núcleo de oxígeno “arrastra” El núcleo de oxígeno “arrastra” electrones fuera del núcleo de electrones fuera del núcleo de hidrógeno, dejando a estos hidrógeno, dejando a estos núcleos con una pequeña carga núcleos con una pequeña carga positiva neta.positiva neta.El exceso de densidad de El exceso de densidad de electrones en el átomo de electrones en el átomo de oxígeno crea regiones oxígeno crea regiones débilmente negativas en los débilmente negativas en los otros dos vértices de un otros dos vértices de un tetraedro imaginario. tetraedro imaginario.
La estructura del aguaLa estructura del agua
Cuando una región de carga Cuando una región de carga parcial positiva de una parcial positiva de una molécula de agua se molécula de agua se aproxima a una región de aproxima a una región de carga parcial negativa de otra carga parcial negativa de otra molécula de agua, la fuerza molécula de agua, la fuerza de atracción forma entre ellas de atracción forma entre ellas un enlace que se conoce un enlace que se conoce como como puente de hidrógenopuente de hidrógeno..Un puente de H puede Un puente de H puede formarse solamente entre formarse solamente entre cualquier átomo de H que cualquier átomo de H que esté unido covalentemente a esté unido covalentemente a un átomo que posee fuerte un átomo que posee fuerte atracción por los electrones atracción por los electrones (generalmente el O o el N) y (generalmente el O o el N) y un átomo de O o N de otra un átomo de O o N de otra molécula.molécula.
Puentes de hidrógenoPuentes de hidrógeno
En el agua, los puentes de En el agua, los puentes de hidrógeno se forman entre un hidrógeno se forman entre un “vértice” negativo de la molécula “vértice” negativo de la molécula de agua con el “vértice” positivo de agua con el “vértice” positivo de otra.de otra.Cada molécula de agua puede Cada molécula de agua puede establecer puentes de hidrógeno establecer puentes de hidrógeno con otras con otras cuatro moléculascuatro moléculas de de agua.agua.Un puente de H es más débil Un puente de H es más débil que un enlace covalente o uno que un enlace covalente o uno iónico, pero, en conjunto tienen iónico, pero, en conjunto tienen una fuerza considerable y hacen una fuerza considerable y hacen que las moléculas se aferren que las moléculas se aferren estrechamente.estrechamente.
Propiedades del aguaPropiedades del agua
Tensión superficialTensión superficial
Es una consecuencia de Es una consecuencia de la cohesión o la atracción la cohesión o la atracción mutua, de las moléculas mutua, de las moléculas de agua. de agua.
Considere el goteo de Considere el goteo de agua e insectos caminando agua e insectos caminando sobre un estanque.sobre un estanque.
La La cohesióncohesión es la unión es la unión de moléculas de la de moléculas de la misma sustancia.misma sustancia.La La adhesiónadhesión es la unión es la unión de moléculas de de moléculas de sustancias distintas.sustancias distintas.
Acción capilar e imbibiciónAcción capilar e imbibición
La acción capilar o capilaridad es La acción capilar o capilaridad es la combinación de la cohesión y la combinación de la cohesión y la adhesión que hacen que el la adhesión que hacen que el agua ascienda entre dos agua ascienda entre dos láminas, por tubos muy finos, en láminas, por tubos muy finos, en un papel secante, o que un papel secante, o que atraviese lentamente los atraviese lentamente los pequeños espacios entre las pequeños espacios entre las partículas del suelo.partículas del suelo.
Acción capilar e imbibiciónAcción capilar e imbibición
La imbibición o absorción, es la penetración La imbibición o absorción, es la penetración capilar de moléculas de agua en sustancias capilar de moléculas de agua en sustancias tales como la madera o la gelatina que, como tales como la madera o la gelatina que, como resultado de ello, se hinchan (germinación de resultado de ello, se hinchan (germinación de semillas).semillas).
Resistencia a los cambios de Resistencia a los cambios de temperaturatemperatura
La cantidad de calor que requiere una cantidad dada de sustancia La cantidad de calor que requiere una cantidad dada de sustancia para que se produzca un aumento dado de temperatura, es su para que se produzca un aumento dado de temperatura, es su calor calor específico.específico.Una Una caloríacaloría se define como la cantidad de calor que elevará en 1ºC se define como la cantidad de calor que elevará en 1ºC la temperatura de un gramo (1 mL o 1 cmla temperatura de un gramo (1 mL o 1 cm33) de agua.) de agua.El calor específico del agua es aprox. el doble que el del aceite o El calor específico del agua es aprox. el doble que el del aceite o del alcohol, 4 veces el del aire o del aluminio y diez veces el del del alcohol, 4 veces el del aire o del aluminio y diez veces el del acero. Sólo el amoníaco líquido tiene un calor específico más alto.acero. Sólo el amoníaco líquido tiene un calor específico más alto.
Resistencia a los cambios de Resistencia a los cambios de temperaturatemperatura
El calor es una forma de El calor es una forma de energía, la energía cinética, o energía, la energía cinética, o energía de movimiento, de las energía de movimiento, de las moléculas.moléculas.El calor que se mide en calorías, El calor que se mide en calorías, refleja la energía cinética total refleja la energía cinética total de un grupo de moléculas; de un grupo de moléculas; incluye tanto la magnitud de los incluye tanto la magnitud de los movimientos moleculares como movimientos moleculares como la masa y la cantidad de la masa y la cantidad de moléculas en movimiento.moléculas en movimiento.La temperatura, que se mide en La temperatura, que se mide en grados, refleja la energía grados, refleja la energía cinética promedio de las cinética promedio de las moléculas.moléculas.
Ej: lago - aveEj: lago - ave
Resistencia a los cambios de Resistencia a los cambios de temperaturatemperatura
El alto calor específico del agua es una consecuencia de los puentes El alto calor específico del agua es una consecuencia de los puentes de hidrógeno.de hidrógeno.
Estos tienden a restringir el movimiento de las moléculas.Estos tienden a restringir el movimiento de las moléculas.
Para que la energía cinética de las moléculas de agua aumente Para que la energía cinética de las moléculas de agua aumente suficientemente como para elevar la temperatura de ésta en un grado suficientemente como para elevar la temperatura de ésta en un grado centígrado, primero es necesario romper cierto número de sus centígrado, primero es necesario romper cierto número de sus puentes de hidrógeno.puentes de hidrógeno.
Resistencia a los cambios de Resistencia a los cambios de temperaturatemperatura
El alto calor específico del El alto calor específico del agua significa que para una agua significa que para una tasa dada de ingreso de calor, tasa dada de ingreso de calor, la temperatura del agua la temperatura del agua aumentará más lentamente aumentará más lentamente que la temperatura de casi que la temperatura de casi cualquier otro material. Así cualquier otro material. Así mismo, la temperatura caerá mismo, la temperatura caerá más lentamente cuando se más lentamente cuando se elimina calor.elimina calor.
Esta constancia de la temperatura es crítica, porque las reacciones Esta constancia de la temperatura es crítica, porque las reacciones químicas biológicamente importantes tiene lugar sólo dentro de un químicas biológicamente importantes tiene lugar sólo dentro de un intervalo estrecho de temperatura.intervalo estrecho de temperatura.
VaporizaciónVaporizaciónEs el cambio de líquido a gas.Es el cambio de líquido a gas.El agua tiene un alto calor de El agua tiene un alto calor de vaporización.vaporización.
En su punto de ebullición (100 ºC En su punto de ebullición (100 ºC – 1 atm), se necesitan 540 – 1 atm), se necesitan 540 calorías para convertir un gramo calorías para convertir un gramo de agua líquida en vapor, casi 60 de agua líquida en vapor, casi 60 veces más que para el éter y casi veces más que para el éter y casi el doble que para el amoníaco.el doble que para el amoníaco.
Para que una molécula de agua se Para que una molécula de agua se evapore, deben romperse los evapore, deben romperse los puentes de H. Esto requiere energía puentes de H. Esto requiere energía térmica.térmica.
Así, la evaporación tiene un Así, la evaporación tiene un efecto refrigeranteefecto refrigerante y es uno de los y es uno de los principales medios por los cuales principales medios por los cuales los organismos “descargan” el los organismos “descargan” el exceso de calor y estabilizan sus exceso de calor y estabilizan sus temperaturas.temperaturas.
CongelamientoCongelamiento
La densidad del agua La densidad del agua aumenta a medida que la aumenta a medida que la temperatura cae, hasta que temperatura cae, hasta que se acerca a los 4ºC. Luego, se acerca a los 4ºC. Luego, las moléculas de agua se las moléculas de agua se aproximan tanto y se mueven aproximan tanto y se mueven tan lentamente que cada una tan lentamente que cada una de ellas puede formar de ellas puede formar puentes de H puentes de H simultáneamente con otras simultáneamente con otras cuatro moléculas.cuatro moléculas.Sin embargo, cuando la Sin embargo, cuando la temperatura cae por debajo temperatura cae por debajo de los 4°C, las moléculas de los 4°C, las moléculas deben separarse ligeramente deben separarse ligeramente para mantener el máximo para mantener el máximo número de puentes de número de puentes de hidrógeno en una estructura hidrógeno en una estructura estable.estable.
CongelamientoCongelamiento
A 0°C, el punto de congelación del agua, se crea un retículo A 0°C, el punto de congelación del agua, se crea un retículo abierto, que es la estructura más estable de un cristal de hielo.abierto, que es la estructura más estable de un cristal de hielo.
Así, el agua en estado sólido ocupa más volumen que el agua Así, el agua en estado sólido ocupa más volumen que el agua en estado líquido.en estado líquido.
El hielo es menos denso que el agua líquida y, por lo tanto, El hielo es menos denso que el agua líquida y, por lo tanto, flota en ella.flota en ella.
Si el agua siguiera Si el agua siguiera contrayéndose mientras se contrayéndose mientras se congela, el hielo sería más congela, el hielo sería más pesado que el agua líquida.pesado que el agua líquida.
Los lagos y los estanques Los lagos y los estanques y otras masas de agua se y otras masas de agua se congelarían desde el fondo congelarían desde el fondo hacia la superficie.hacia la superficie.
Una vez que el hielo Una vez que el hielo comenzara a acumularse en el comenzara a acumularse en el fondo, tendería a no fundirse, fondo, tendería a no fundirse, estación tras estación.estación tras estación.
Finalmente, toda la masa Finalmente, toda la masa de agua se solidificaría y de agua se solidificaría y toda la vida que albergara toda la vida que albergara sería destruida.sería destruida.
CongelamientoCongelamiento
CongelamientoCongelamientoPor el contrario, la capa de hielo flotante que se forma realmente Por el contrario, la capa de hielo flotante que se forma realmente tiende a proteger a los organismos acuáticos, manteniendo la tiende a proteger a los organismos acuáticos, manteniendo la temperatura del agua en el punto de congelación o por encima de él.temperatura del agua en el punto de congelación o por encima de él.
El punto de fusión del agua es 0°C.El punto de fusión del agua es 0°C. Para hacer la transición de sólido a líquido, el agua requiere 79,7 Para hacer la transición de sólido a líquido, el agua requiere 79,7
calorías por gramo (calor de fusión).calorías por gramo (calor de fusión). A medida que el hielo se funde, extrae esta misma cantidad de calor A medida que el hielo se funde, extrae esta misma cantidad de calor de sus alrededores, enfriando el medio circundante.de sus alrededores, enfriando el medio circundante.A la inversa, a medida que el agua se congela, libera la misma A la inversa, a medida que el agua se congela, libera la misma cantidad de calor a sus alrededores.cantidad de calor a sus alrededores.
El agua como solventeEl agua como solvente
Dentro de los sistemas vivos, Dentro de los sistemas vivos, muchas sustancias se muchas sustancias se encuentran en solución encuentran en solución acuosa.acuosa.Una Una soluciónsolución es una mezcla es una mezcla uniforme de moléculas de dos uniforme de moléculas de dos o más sustancias (solvente y o más sustancias (solvente y solutos).solutos).La polaridad de las moléculas La polaridad de las moléculas de agua es la responsable de de agua es la responsable de la capacidad solvente del la capacidad solvente del agua.agua.
Las moléculas polares de Las moléculas polares de agua tienden a separar agua tienden a separar sustancias iónicas, como el sustancias iónicas, como el ClNa.ClNa.
El agua como solventeEl agua como solvente
Muchas de las moléculas Muchas de las moléculas unidas covalentemente unidas covalentemente que son importantes en que son importantes en sistemas vivos (glucosa), sistemas vivos (glucosa), tienen regiones de carga tienen regiones de carga parcial + o -.parcial + o -.
Las moléculas polares que Las moléculas polares que se disuelven rápidamente se disuelven rápidamente en agua se llaman en agua se llaman hidrofílicashidrofílicas..
Moléculas que carecen Moléculas que carecen de regiones polares de regiones polares (grasas), tienden a ser (grasas), tienden a ser muy insolubles en agua.muy insolubles en agua.
Dichas moléculas se dice Dichas moléculas se dice que son que son hidrofóbicashidrofóbicas..
EL PAPEL CENTRAL EL PAPEL CENTRAL DEL CARBONODEL CARBONO
Moléculas biológicas u orgánicasMoléculas biológicas u orgánicas
En química el término orgánico describe las moléculas que En química el término orgánico describe las moléculas que tienen un esqueleto de carbono y que además contienen tienen un esqueleto de carbono y que además contienen algunos átomos de hidrógeno.algunos átomos de hidrógeno. Se deriva de la capacidad de los organismos vivos de Se deriva de la capacidad de los organismos vivos de
sintetizar y usar esas moléculas.sintetizar y usar esas moléculas.Entre las moléculas inorgánicas están el dióxido de carbono y Entre las moléculas inorgánicas están el dióxido de carbono y todas las moléculas que no tienen carbono, como el agua.todas las moléculas que no tienen carbono, como el agua.
¿Por qué es importante el carbono ¿Por qué es importante el carbono en las moléculas biológicas?en las moléculas biológicas?
Un átomo de carbono tiene 4 Un átomo de carbono tiene 4 electrones en su capa más electrones en su capa más externa, en la cual caben 8.externa, en la cual caben 8.
Por ello se estabiliza Por ello se estabiliza compartiendo 4 electrones con compartiendo 4 electrones con otros átomos para formar hasta otros átomos para formar hasta 4 enlaces covalentes sencillos o 4 enlaces covalentes sencillos o un número menor de enlaces un número menor de enlaces covalentes dobles o triples.covalentes dobles o triples.
Las moléculas que tienen Las moléculas que tienen muchos átomos de carbono muchos átomos de carbono pueden asumir formas pueden asumir formas complejas como cadenas, complejas como cadenas, ramificaciones y anillos, lo cual ramificaciones y anillos, lo cual da pie a una extraordinaria da pie a una extraordinaria diversidad de moléculas.diversidad de moléculas.
Grupos funcionalesGrupos funcionales
A la “columna vertebral” de carbono se unen A la “columna vertebral” de carbono se unen grupos de átomos, llamados grupos funcionales, grupos de átomos, llamados grupos funcionales, que determinan las características y la que determinan las características y la reactividad química de las moléculas:reactividad química de las moléculas:
HidrógenoHidrógeno -H-HHidroxiloHidroxilo -OH-OHCarboxiloCarboxilo -COOH-COOH
AminoAmino -NH-NH22
FosfatoFosfato -H-H22POPO44
MetiloMetilo -CH-CH33
CarbohidratosCarbohidratos
Normalmente contienen Normalmente contienen carbono, oxígeno e carbono, oxígeno e hidrógeno y tienen la fórmula hidrógeno y tienen la fórmula aproximada (CHaproximada (CH22O)O)nn..
MonosacáridosMonosacáridos: azúcar simple:: azúcar simple:GlucosaGlucosa: importante fuente de : importante fuente de energía para las células; energía para las células; subunidad con la que se subunidad con la que se hacen casi todos los hacen casi todos los polisacáridos.polisacáridos.
DisacáridosDisacáridos: dos : dos monosacáridos enlazados:monosacáridos enlazados:
SacarosaSacarosa: principal azúcar : principal azúcar transportado dentro del cuerpo transportado dentro del cuerpo de las plantas terrestres.de las plantas terrestres.
CarbohidratosCarbohidratos
PolisacáridosPolisacáridos: muchos : muchos monosacáridos monosacáridos (normalmente (normalmente glucosa) enlazados:glucosa) enlazados:
Almidón, glucógeno, Almidón, glucógeno, celulosacelulosa: almacén de : almacén de energía en plantas, energía en plantas, animales y material animales y material estructural de plantas, estructural de plantas, respectivamente.respectivamente.
LípidosLípidosContienen una proporción elevada de Contienen una proporción elevada de carbono e hidrógeno, suelen ser no carbono e hidrógeno, suelen ser no polares e insolubles en agua.polares e insolubles en agua.
TriglicéridosTriglicéridos: 3 ácidos grasos : 3 ácidos grasos unidos a un glicerol:unidos a un glicerol:
Aceite, grasa: almacén de Aceite, grasa: almacén de energía en animales y algunas energía en animales y algunas plantas.plantas.
CerasCeras: número variable de ácidos : número variable de ácidos grasos unidos a un alcohol de grasos unidos a un alcohol de cadena larga.cadena larga.
Cubierta impermeable de las Cubierta impermeable de las hojas y tallos de plantas hojas y tallos de plantas terrestres.terrestres.
FosfolípidosFosfolípidos: grupo fosfato polar y : grupo fosfato polar y dos ácidos grasos unidos a dos ácidos grasos unidos a glicerol:glicerol:
Fosfatidilcolina: componente Fosfatidilcolina: componente común de las membranas común de las membranas celulares.celulares.
LípidosLípidos EsteroidesEsteroides: cuatro : cuatro
anillos fusionados de anillos fusionados de átomos de carbono, átomos de carbono, con grupos funcionales con grupos funcionales unidos:unidos:
Colesterol: Colesterol: componente común componente común de las membranas de las membranas de las células de las células eucariotas; eucariotas; precursor de otros precursor de otros esteroides como esteroides como testosterona, sales testosterona, sales biliares.biliares.
ProteínasProteínas
ProteínasProteínasSon las moléculas más abundantes en las células (+50% peso seco), se Son las moléculas más abundantes en las células (+50% peso seco), se encuentran distribuidas por toda la célula y son fundamentales tanto estructural encuentran distribuidas por toda la célula y son fundamentales tanto estructural como funcionalmente. Están formadas por cadenas de aminoácidos y contienen como funcionalmente. Están formadas por cadenas de aminoácidos y contienen principalmente C, H, O, N y S. Adicionalmente pueden tener P, Fe, Cu, Mg, Zn o I.principalmente C, H, O, N y S. Adicionalmente pueden tener P, Fe, Cu, Mg, Zn o I.
AminoácidosAminoácidosSon compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular Son compuestos orgánicos sencillos de bajo peso molecular que al unirse entre sí forman las proteínas. Están compuestos que al unirse entre sí forman las proteínas. Están compuestos por C, H, O y N. Poseen en su molécula un grupo carboxilo (-por C, H, O y N. Poseen en su molécula un grupo carboxilo (-COOH), un grupo amino (-NHCOOH), un grupo amino (-NH22) y una cadena lateral o grupo ) y una cadena lateral o grupo R, todos ellos unidos covalentemente a un átomo de carbono R, todos ellos unidos covalentemente a un átomo de carbono denominado Cdenominado Cαα (carbono alfa). (carbono alfa).Todos los aminoácidos responden a esta fórmula general: Todos los aminoácidos responden a esta fórmula general: HH22N-CHR-COOHN-CHR-COOH
ClasesClasesde de
aminoácidosaminoácidos
ClasesClasesde aminoácidosde aminoácidos
Enlace peptídicoEnlace peptídico
PéptidoPéptido
Proteína = más de 50 aminoácidos (residuos)
Estructura ProteicaEstructura Proteica
Estructurales (Estructurales (Queratina en pelo, uñas y cuernosQueratina en pelo, uñas y cuernos).). Movimiento (Movimiento (Actina y Miosina en los músculosActina y Miosina en los músculos).). Transporte (Hemoglobina de la sangre).Transporte (Hemoglobina de la sangre). Defensa (Defensa (Anticuerpos en el torrente sanguíneoAnticuerpos en el torrente sanguíneo)) Almacenamiento (Almacenamiento (Albúmina de la clara de huevoAlbúmina de la clara de huevo).). Señales (Señales (Hormona del crecimiento en el torrente Hormona del crecimiento en el torrente
sanguíneosanguíneo).). Catálisis (Enzimas que catalizan casi todas Catálisis (Enzimas que catalizan casi todas
las reacciones químicas en las células) las reacciones químicas en las células) (Amilasa, ATP sintetasa).(Amilasa, ATP sintetasa).
Funciones de las ProteínasFunciones de las Proteínas
Funciones de las ProteínasFunciones de las Proteínas
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Funciones de las ProteínasFunciones de las Proteínas